动中通控制方案

1 概述

DZT-55型动中通天线系统是一种Ku频段低剖面型动中通天线。该天线用多喇叭线性阵作馈源，照射一个矩形反射面形成一个收发共用的高增益天线。与传统抛物面式动中通天线比较，具有低高度、一体化、装车方便等特点。

2引用文件

a) 《DZT-55型动中通系统技术协议》

b) 《DZT-55型动中通系统研制任务书》

3 任务要求及分析

3.1 任务要求

3.1.1 伺服控制与跟踪技术要求

a) 天线方位转动：选用微波中频混合型双路旋转关节。

b) 天线俯仰转动：用直线往复运动变换为转动的机械关节。

c) 天线位置确定：用GPS系统，实现天线座位置确定，并用控制软件计算出天线

预定的方位角、俯仰角和极化角。

d) 天线位置变化：用陀螺仪、位置倾斜仪作传感器把位置变化信息输入到控制软

件，调整姿态变化。

e) 驱动装置：天线方位、俯仰、发射极化、接受极化各用一个驱动马达和相关的

传动结构。保证天线波束跟踪和极化跟踪。

f) 天线低频：直径小于1300mm，包含结构布局。整个结构系统均置于其上：包括，

天线反射面及其运动部件；线源及其馈电网络；微波部件（含收发双工器、极

化合成器、极化跟随器等）；伺服控制部件、传感器及马达，以及旋转关节等，

均置于其上。

g) 跟踪方式：自动跟踪

h) 速度和加速度

汽车行驶速度：不小于160Km/h；火车350Km/h

天线转动最大角速度（方位、俯仰）： 50°/s

天线转动最大角速度（极化）： 20°/s

天线转动角加速度（方位）： 200°/s2

天线转动角加速度（俯仰）： 100°/s2

天线转动角加速度（极化）： 50°/s2

i) 跟踪精度

跟踪精度（RMS）：≤0.5°

j) 跟踪范围

方位： 360°连续

俯仰： 20°-70°

极化： +95°

k) 再捕获：（信号丢失3分钟内）<3秒

l) 由跟踪误差产生的天线增益下降（均方根值）<0.2dB

3.1.2 环境适应性要求

a) 工作温度：-20°C～+55°C；

b) 储存温度：-40°C～+70°C；

c) 结构要求：防尘，防雨，抗风；

d) 天线应具有三防；

e) 在六级风的环境条件下应能保证精度，8级风不应损坏；

3.2 任务分析

根据以上任务要求，伺服分系统要完成的主要工作有以下几个方面。

a) 选择合适的跟踪控制方案；

b) 选择标定方位、俯仰和极化的起始零位的方法；

c) 选择消除由于天线运动引入偏差的方法；

d) 选用感知方位、俯仰、极化位置的传感器；

e) 选用感知姿态（偏航、滚动、俯仰）的传感器；

f) 根据GPS给出的站址（经度、维度、海拔）位置和选用的卫星位置，计算出天

线的方位、俯仰和极化方向，利用驱动电路对天线的方位、俯仰和极化进行预置；当位置发生变化时，利用位置变化的传感器得到的误差信号，馈入伺服驱

动执行机构控制天线指向；可采用信号峰值跟踪方法对较小的偏差进行补偿式跟踪。极化跟踪也可利用峰值跟踪完成。

4 方案设计

4.1 伺服控制系统功能

a) 手控功能，用于调试时对天线方位、俯仰和极化轴的运动控制。增强了使用的

可靠性和操作及调试的方便性。

b) 指向功能，完成对多个姿态和位置传感器数据的采集和处理，同时输出相应的

电压信号来控制电机的起停和转动，进而来调整天线的方位角、俯仰角和极化

角，实现准确对星。

c) 自动跟踪功能。

d) 监控功能，可通过上位机方便实现对天线系统的状态监视及操作。

4.2 分系统工作原理

伺服控制分系统组成原理框图见图1.该系统由上位机、主控单元、驱动单元以及电机组成。

图1 伺服控制分系统组成原理框图

伺服系统主要伺服控制单元、控制处理电路（PID板和电平转换板）、方位、俯仰极

化电机及驱动器、GPS 、惯导装置和方位角度编码器等部分组成。系统为指向工作方式。该方式是由主控单元根据跟踪信息和当前角位置信息，所完成的位置及速度控制。

4.3 指向子系统工作原理

已知静止卫星的位置，经度λs ，距地面高度hs ，地球半径R ，对于动中通系统来讲，主要是因为载体本身处在不断运动中，此时车辆（或其他载体）有姿态角：偏航角ψ，俯仰角ω，滚动角δ。

天线对准卫星时的方位角A ＇，俯仰角E ＇，极化角P ＇（线极化时），应按下列公式计算：

A ＇=tg- 1y ′

x ′ (1)

E ＇=sin-1

√x ′2+y ′2+z ′2

(2)

P ＇=tg-1[sin(λg-λs)/tg φg] …………………………………… (3) （P ＇是定义为：系统LNA 的宽边与大地垂直时为0°，从天线后端旋转馈源，顺时针转P ＇为正，逆时针转P ＇为负）

而x ＇，y ，＇z ＇满足

[x ′

y ′z ′]=[cosω.cosψcosω.sinψsinωsinω.sinδ.cosψ−cosδ.sinψcosδ.cosψ+sinω.sinδ.sinψ−sinδ.cosω−sinδ.sinψ−sinωcosδ.cosψ

sinδ.cosψ−sinω.cosδ.sinψcosω.cosδ][x

y z

] …………(4) 其中{x =cosA.cosE

y =cosE.sinA z =sinE

(5)

从以上一些关系式中，我么可以看到，如果车辆的位置（λg ，φg ，hg ）和姿态（ψ，ω，δ）一旦确定，便可以迅速计算出天线的状态：A ＇、E ＇、P ＇。一般来讲，应用电子罗盘，可迅速得到车辆航向角ψ；用陀螺仪可得到车辆的俯仰角ω，横滚角δ。如果将这些参数输给计算机，便可迅速计算出天线的A ＇、E ＇、P ＇；将它们与天线当前位置A ＇、E ＇、P ＇比较，得到∆A =A-A ＇, ∆E =E-E ＇, ∆P =P-P ＇。用这些误差信号去驱动天线使天线向消除误差的方向转动，直至，便可实现天线的准确指向。